激光表面改性常用激光器及匀光变换系统

袁振玉，石 岩

(长春理工大学机电工程学院，长春130022)

0 引言

激光表面改性通常采用大功率激光器(大于1.5kW)对零件表面进行处理，利用高能激光束辐照基体表面改变其表面的组织结构、物理性能和化学成分等，从而改善基体表面的耐磨、耐蚀等性能，延长零件的使用寿命。直接利用来自激光器的光束有时不能满足激光表面改性的要求，因此，激光表面改性中经常使用变换激光功率密度分布的匀光变换系统。

1 激光表面改性常用激光器

目前应用于激光表面改性的激光器主要有CO2激光器、固体激光器和半导体激光器等。

1.1 CO2激光器

用于激光表面改性的大功率CO2激光器主要有横流、轴快流和扩散冷却板条等三种类型。目前国内激光表面改性主要使用大功率横流CO2激光器，该激光器具有结构简单、谐振腔一般采用单程谐振腔、价格便宜、输出功率高而且光斑的尺寸较大、可以实现均匀分布的多模光斑输出、聚焦后光斑内能量分布均匀等优点。但是，横流CO2激光器光束质量比较差。图1是采用瞬时照射有机玻璃板的方法得到的单程谐振腔多模激光光斑痕迹和能量分布图，中心光斑为矩形对称，外侧则呈圆形对称［1］。

图1 单程谐振腔光束模式

轴快流CO2激光器谐振腔较长，放电长度的输出功率显著提高，所以其效率高、输出功率稳定，光束质量很好［2］。轴快流CO2激光器比较有代表性的生产厂家是德国Trumpf公司，该公司生产的Tru-Flow系列激光器具备优异的热力学稳定性和机械稳定性，输出激光功率可达万瓦以上。扩散冷却板条CO2激光器产于德国Rofin-Sinar公司，目前有DC、StarShape HP两个系列，该激光器结构紧凑小巧，热稳定性高，没有气体流动。轴快流和扩散冷却板条CO2激光器输出光束模式为准基模或低阶模的高斯光束，光束质量好，主要用于激光切割和焊接。由于这两种激光器均输出高斯光束，聚焦后光斑尺寸较小而且能量分布不均匀，有时不能直接用于激光表面改性，需要利用匀光变换系统进行光束模式变换后使用。

1.2 固体激光器

目前激光表面改性应用较多的固体激光器有YAG激光器，碟片式激光器、光纤激光器。由于激光功率和价格的限制，固体激光器以前多用于切割和焊接等加工领域，很少用于激光表面改性。近几年来，随着大功率固体激光器技术逐渐成熟，性能稳定，价格不断下降，越来越多地应用于表面改性领域［3］。

固体激光器输出光束波长要比CO2激光器输出光束波长小一个数量级，由于波长短，能量在工件上的反射损失减少，金属对其吸收率高。CO2激光10.6μm的波长在表面改性时不易被金属吸收，在激光表面改性前通常需要进行预处理，使用固体激光器可不需要预处理。由于固体激光器波长短，使其与金属的耦合效率高，一台Nd:YAG激光器的有效功率大约相当于CO2激光器的4倍左右［4］。

固体激光器输出的光束模式为准基模或低阶模混合输出，聚焦焦点光斑功率密度分布基本为准高斯分布，光束质量高。本实验室人员对德国Trumpf公司生产HL4600灯泵浦Nd:YAG激光器聚焦光斑功率密度分布进行了测量，测量结果如图2所示。实验表明:光斑能量为准高斯分布，功率密度分布不均匀。

图2 HL4600灯泵浦YAG激光器聚焦光斑功率密度分布

近几年光纤激光器的发展十分迅猛，工作物质是一段光纤，光纤中掺有不同的元素，能够产生波段不同的激光。美国的IPG公司是生产光纤激光器的龙头企业，该公司生产的YLR-HP系列:1～50kW掺镱光纤激光器，波长1060nm，光束质量好，主要用于焊接、切割，表面改性［5］。

此外，固体激光器输出光束可通过光纤传输，能灵活到达表面，可和机器人相匹配达到对复杂表面的改性，具有良好加工柔性。

1.3 大功率半导体激光器

半导体激光器相对CO2激光器、固体激光器具有波长多样性的特点，波长较短提高了金属的激光吸收率。

大功率半导体激光器在激光表面改性方面主要优势在其可以直接产生非常独特的矩形光斑，光斑能量分布为平顶矩形光束，可以得到均匀的处理效果［6］。此外，半导体激光器光电转换率高，对冷却要求低，结构紧凑，体积小，便于携带和现场使用，可以实现对不便于拆卸的重型设备进行现场表面改性和修复。大功率半导体激光系统工作时灵活、方便，其焦点可精确的作用于需要热处理的外框部位，其输出功率和光束质量完全能够满足表面改性的需求［7］。目前国际市场上广泛采用的激光表面改性都是以半导体激光为主，占有率达到表面改性市场的90%左右。

在工业用大功率半导体激光器的研制方面，德国Laserline和DILAS公司走到了半导体激光器发展的前列。Laserline研制出的LDF、LDM两个系列半导体激光器，输出功率为1～10kw的，其聚焦光斑以直径为2～4mm的圆斑或者2mm×2mm，3mm×3mm，1mm×5mm等多种尺寸输出，电光转换效率达50%，可以用于大面积激光表面改性。国内在大功率半导体激光器的研发与国外相比还有一定差距。目前，西安炬光在半导体激光表面处理系统的研究中取得了一些进展，所研制半导体激光器输出波长976nm，输出功率为2～5kW，可以分别输出4 mm×4 mm or 2 mm×4 mm，2.5 mm×11.5mm几种光斑组合。另外，长春光机所的朱洪波等通过采用偏振合束和波长合束技术研制出万瓦级的半导体激光表面改性光源［8］。

2 匀光变换系统

在激光表面改性中，激光功率密度均匀分布的矩形光斑被认为是一种较为理想的光束［9］。激光器输出多为基模或低阶模高斯光束，聚焦后光斑的能量分布不均匀，利用匀光变换系统，可以使光斑能量分布均匀，得到均匀表面处理效果。

匀光变换系统大致可以分为两大类:一是产生稳定光束的匀光变换系统，即通过光学元件的搭接对光束进行变换、整形:包括积分镜、波导积分器、二元光学元件、光楔阵列均束器、随机位相板均束器等;二是动态扫描匀光变换系统:包括振动镜、扫描转镜［10］。以上各种匀光系统并不代表每种方式都适合应用在任何激光器上，选用匀光系统时需要考虑所使用激光器输出光束的特性、参数等。

激光表面改性常用的匀光变换系统有反射式积分镜、波导积分器、组合镜和扫描转镜、振动镜等。表1是四种典型光斑，其中A型光斑为组合镜、振镜产生的方形光斑，B型光斑代表积分镜产生的小矩形光斑，C型光斑代表多模激光扫描转镜线光斑，D型光斑近似表示聚焦法产生的离焦光斑［11］。

表1 四种光斑图形及参数

2.1 静态光束变换系统

2.1.1 反射式积分镜

反射式积分镜的基本原理都是将光束沿波面分割成多份小光束，然后将每一份光束在一定的平面内叠加，从而使光斑内的功率密度分布均匀，图3a为线光斑转换光路示意图。还有一种带式反射积分镜，在一定型面的反射镜基体上分布多个镜带，每个镜带反射激光的一部分，如图3b所示。带式积分镜不需要粘结，制作简单，可采用高精车一次加工成型，避免大功率激光照射时所引起的镜面变形［12］。低阶模激光束经过反射式积分镜光束变换后，其光斑的能量分布为中间高，两侧低的“马鞍型”光斑。

图3 积分镜

反射式积分镜目前是激光表面改性使用效果最好的匀光系统。它不同于振动镜及旋转多棱镜，没有运动部件，简单可靠，效率比波导积分镜高，而且加工空间大，但是光斑尺寸不易调节，柔性较差，适合固定批量处理。

2.1.2 组合镜(分割叠加变换系统)

组合镜的原理是将高斯光束平行分割为几个子系统，并沿着割线平行及垂直两个方向分别进行放大，后将子光束按一定的相对位置进行叠加，从而获得沿横截面能量分布均匀的光斑。图4为分割可调组合镜原理示意图，各镜片由其背后的螺丝各镜片由其背后的螺丝调整方向，使镜面的法线不平行，得到光强较均匀的矩形斑。例如，4片镜的镜组可得到1.4mm×15mm的匀强光斑［13］。

图4 分割可调组合镜

2.2 聚焦扫描变换系统

聚焦光斑扫描系统是在聚焦光路中放置振镜或旋转多棱镜，使聚焦或离焦光斑以一定的频率在被加工表面来回扫描，形成具有一定宽度的形式上的光带。

扫描转镜是把多面体棱镜作为扫描元件，利用棱镜反射使光束快速摆动，把光束拉宽成线形光斑，原理如图5所示。

图5 扫描转镜原理图

振动镜扫描原理示意图如图6所示，通过机械或电磁方式驱动两块相互垂直放置的平面镜以不同频率作正弦波扫描，形成类似于矩形的光斑。振动镜扫描形成的光斑内的功密度分布取决于振动镜的振动规律以及原始光斑的功率密度分布。当原始光班为高斯分布，振动镜按正弦规律振动时，光班沿一个振动方向的功率密度分布呈现的马鞍形。振动镜的一个最大的优点是具有较大的柔性，可根据需要通过调整其振幅改变扫描光斑尺寸。

图6 扫描振动镜原理示意图

3 结语

1)目前，国内激光表面改性使用最多的是大功率横流CO2激光器，光束多模输出，光斑能量分布均匀且尺寸较大，但光束质量差。国外激光表面改性则以大功率半导体激光器为主，半导体激光器不需要光束变换系统可以直接输出功率密度均匀分布的矩形光斑，而且基体的激光吸收率较高。

2)激光表面改性常用的匀光变换系统有积分镜、组合镜和扫描转镜等，具体采用何种匀光变换系统要根据激光表面改性使用激光器的输出参数和具体需要。我国用于激光表面改性的激光器功率一般在2～5kW，常用的匀光系统主要有反射积分镜、扫描转镜等。

［1］ 钟如涛，熊征.连续/脉冲CO2激光熔覆高温合金K403［J］.中国激光，2010(3):852-857.

［2］ 陈苗海.中国激光加工产业现状和发展前景［J］.激光与红外，2004(1):73-77.

［3］ 左都罗，李适民.快轴流CO2激光器评述［J］.激光技术，2000(1):6-10.

［4］ 李胜，曾晓雁，胡乾.工艺参数对Nd:YAG激光熔覆层几何尺寸和性能的影响［J］.热加工工艺，2007(7):56-58.

［5］ JEONG Y，SA JK，Payne D N，et al.Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36kW continuous-wave output power［J］.Opt Express，2004，12(25):6088-6092.

［6］ Lin L.The advances and characteristics of high-power diode laser materials processing［J］.Optics and Lasers in Engineering 2000(34):231-253.

［7］ 郭士锐，陈智君，张群莉，等.大功率半导体激光表面改性的研究进展［J］.激光与光电子学进展，2013(5):55-62.

［8］ 朱洪波，张金胜，马军，等.10kW连续输出半导体激光熔覆光源［J］.光学精密工程，2013(4):829-834.

［9］ 罗曦，陈培锋，王英，等.一种大功率激光加工用新型宽带光斑成形抛物面镜［J］.中国激光，2008(11):1853-1856.

［10］ 王云山，王娟娟，朱福栋.激光热处理光束优化系统［J］.中国激光，2008(11):1730-1734.

［11］ 杨洗陈.激光热处理宽带光斑的研究［J］.中国激光，1990(4):229-235.

［12］ 王智勇，陈虹，左铁钏.一种大功率激光加工用带式积分镜的设计［J］.北京工业大学学报，2002(3):334-336.

［13］ J.P.Alfill，F.Castilian，D.Runel.Shaping of laser beams by adoptive optical devices［J］.Processing of SPIE，1993，23(6):296-304.